填埋初期水溶性有機(jī)物結(jié)構(gòu)受電子轉(zhuǎn)移的影響

楊 超,何小松,席北斗,張 慧,黃彩紅,高如泰,檀文炳,崔東宇(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院國(guó)家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；3.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

填埋初期水溶性有機(jī)物結(jié)構(gòu)受電子轉(zhuǎn)移的影響

楊 超1,2,3,何小松1,2*,席北斗1,2,3,張 慧1,2,黃彩紅1,2,高如泰1,2,檀文炳1,2,崔東宇1,2(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院國(guó)家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；3.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

采集填埋初期的生活垃圾并提取DOM,以希瓦氏菌MR-1和檸檬酸鐵(FeCit)分別作為電子供體和電子受體,利用三維熒光光譜(EEM)結(jié)合平行因子分析(PARAFAC)對(duì)電子轉(zhuǎn)移前后DOM結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行解析,以期揭示DOM電子轉(zhuǎn)移對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響.PARAFAC模型揭示DOM由4個(gè)熒光組分組成,組分1(類(lèi)色氨酸)和組分3(類(lèi)酪氨酸)為類(lèi)蛋白物質(zhì)且其是DOM熒光的主要貢獻(xiàn)成分,組分2(類(lèi)富里酸)和組分4 (類(lèi)胡敏酸)為類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì).類(lèi)蛋白物質(zhì)的熒光增強(qiáng)效應(yīng)源于結(jié)構(gòu)上含氮的雜環(huán)結(jié)構(gòu)被破壞,疏水性增強(qiáng).類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)得到電子后其結(jié)構(gòu)上的部分羰基變?yōu)榇蓟?熒光強(qiáng)度增加,且其熒光增加幅度在填埋過(guò)程中呈降低的趨勢(shì).類(lèi)蛋白物質(zhì)具有供電子能力,但其失去電子后結(jié)構(gòu)改變熒光完全被猝滅.類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)同樣是DOM具有供電子能力的功能性組分且其熒光猝滅幅度受控于其結(jié)構(gòu)上羧基和酚基等供電子基團(tuán)的含量.類(lèi)蛋白物質(zhì)失去電子后不能重新被微生物還原返回原態(tài),類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)部分基團(tuán)具有循環(huán)氧化還原能力,DOM 的電子穿梭能力源于類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)且隨填埋的進(jìn)行不斷增強(qiáng).

DOM；三維熒光光譜；平行因子分析；電子轉(zhuǎn)移

水溶性有機(jī)物(Dissolved Organic Matter, DOM)是多相的、不均勻的有機(jī)混合物,具有不同的結(jié)構(gòu)和分子量,既包括小分子的有機(jī)酸和氨基酸等,又包括大分子的腐殖質(zhì)和蛋白質(zhì)物質(zhì)等[1-5]. DOM 在自然環(huán)境中不僅能夠作為微生物的營(yíng)養(yǎng)源促進(jìn)有機(jī)物的降解和營(yíng)養(yǎng)物在生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)[2,6-7],而且能夠吸附重金屬和有機(jī)污染物等進(jìn)而影響污染物遷移和賦存形態(tài)[8-9].近些年研究表明DOM具有電子穿梭體的功能,能夠調(diào)節(jié)電子受體和電子供體間的電子轉(zhuǎn)移[2],如DOM能夠促進(jìn)變價(jià)金屬 Fe(III)和 Cr(VI)的還原[10],其同樣能夠強(qiáng)化微生物對(duì)于硝基苯的降解[11].

填埋垃圾在降解和穩(wěn)定化的過(guò)程中產(chǎn)生大量垃圾滲濾液,其中 DOM是滲濾液重要組成成分,占總有機(jī)質(zhì)的80%以上[12].填埋垃圾DOM的組成隨填埋年限的延伸而發(fā)生變化,填埋初期DOM主要是類(lèi)蛋白物質(zhì),而中、后期則是類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)[13].在填埋垃圾降解的復(fù)雜環(huán)境中,存在微生物和H2S等能夠作為DOM電子供體的還原性物質(zhì),同時(shí)也存在電子受體諸如有機(jī)污染物和重金屬.在填埋垃圾降解過(guò)程中,DOM的電子穿梭作用能夠?qū)⑽⑸锎x產(chǎn)生的電子傳遞給有機(jī)污染物和重金屬,強(qiáng)化微生物對(duì)于滲濾液中有機(jī)污染物的降解和重金屬的轉(zhuǎn)化,在此過(guò)程中DOM 也在氧化態(tài)和還原態(tài)不斷轉(zhuǎn)變,因此了解電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中填埋垃圾 DOM的主要功能性組分和結(jié)構(gòu)變化規(guī)律,能夠?yàn)檎J(rèn)識(shí)垃圾填埋場(chǎng)中有機(jī)污染物降解和重金屬轉(zhuǎn)化的途徑提供科學(xué)依據(jù),因此具有重要的環(huán)境意義.

自Klapper首次觀察到腐殖質(zhì)經(jīng)微生物還原后其熒光強(qiáng)度發(fā)生改變以來(lái)[14],國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)在腐殖質(zhì)還原和氧化過(guò)程光學(xué)性質(zhì)變化作了大量研究.當(dāng)前研究表明腐殖質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)改變?cè)从诮Y(jié)構(gòu)上供電子基團(tuán)和吸電子基團(tuán)的電荷轉(zhuǎn)移

[15-19],但是對(duì)于填埋垃圾 DOM 在電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程結(jié)構(gòu)變化缺乏研究.三維熒光光譜(Excitation Emission Matrix Spectra, EEM)的不改變有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)、快速等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于河流、湖泊、垃圾滲濾液等 DOM 的結(jié)構(gòu)分析[12-14],因此本文采集填埋初期 DOM,結(jié)合三維熒光-平行因子分析(Parallel Factor analysis, PARAFAC)技術(shù)對(duì)填埋初期 DOM電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中光譜信息進(jìn)行解析,以期揭示填埋初期 DOM電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中結(jié)構(gòu)變化規(guī)律.

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

使用Analytik Jena Multi N/C 2100型TOC分析儀(德國(guó)耶拿公司)測(cè)量DOM濃度,以水溶性有機(jī)碳(Dissolved Organic Carbon, DOC)表示.Hitachi F-7000型熒光光譜儀(日本日立公司)進(jìn)行熒光掃描,UV-1700型紫外分光光度計(jì)(日本島津公司)進(jìn)行紫外掃描.檸檬酸鐵(FeCit),乳酸鈉均為分析純,購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán).使用 Bioscreen全自動(dòng)生長(zhǎng)曲線分析儀測(cè)定希瓦氏菌 MR-1的生長(zhǎng)曲線.

1.2 樣品采集和制備

供試樣品采自作業(yè)0～2年的北京某垃圾填埋場(chǎng).樣品取自不同深度(即 1～2m,2～4m,4～6m),依次編號(hào)S1、S2、S3,手工分選剔除其中的塑料、木塊和磚塊等雜物通過(guò)4分法采集典型樣品,混合均勻后裝入密封袋,運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,置于4℃冰箱保存.

將采集的樣品按干重質(zhì)量與超純水體積1:100[W(g)/V(mL)]混合,室溫下200r/min水平震蕩24h,在4℃、12000r/min下離心20min,上清液過(guò)0.45μm的濾膜即為DOM.

1.3 不同體系下熒光測(cè)定

1.3.1 實(shí)驗(yàn)預(yù)準(zhǔn)備 使用 LB培養(yǎng)基將希瓦氏菌MR-1于室溫下活化3代.根據(jù)MR-1生長(zhǎng)曲線(圖 1),取對(duì)數(shù)期(12h)的細(xì)菌離心(10min10000r/min)后移至無(wú)機(jī)培養(yǎng)液中,使用前加入乳酸鈉(最終濃度5mmol/L)制成MR-1菌濁液備用.將檸檬酸鐵制成濃度為1mmol/L的儲(chǔ)備液.用超純水將DOM的濃度稀釋至DOC= 50mg/L備用.同時(shí)用 Mili-Q超純水對(duì)樣品進(jìn)行稀釋后DOC= 20mg/L后進(jìn)行熒光掃描.

圖1 希瓦氏菌MR-1生長(zhǎng)曲線Fig.1 Growth curve of Shewanella MR-1

1.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 研究 DOM 失去電子后結(jié)構(gòu)變化,將DOM與檸檬酸鐵按1:1體積混合形成“DOM+Fe”體系,反應(yīng)24h后進(jìn)行熒光掃描.歸一化處理后,與原樣相比,熒光強(qiáng)度降低量即為熒光猝滅幅度.

研究DOM得到電子后結(jié)構(gòu)變化,將DOM與MR-1菌濁液按1:1混合形成“DOM+M”體系,反應(yīng) 24h,過(guò) 0.22μm的纖維素膜后進(jìn)行熒光掃描.歸一化處理后,與原樣相比,4組分熒光強(qiáng)度增加量即為熒光增加幅度.

研究 DOM得到電子再失去后結(jié)構(gòu)變化設(shè)計(jì)“DOM+M-DOM+Fe”體系實(shí)驗(yàn),即先將DOM與MR-1菌濁液按1:1混合反應(yīng)24h,過(guò)0.22μm的纖維素,再將微生物處理反應(yīng)液與檸檬酸鐵按1:1混合,反應(yīng)24h后進(jìn)行熒光掃描.

研究 DOM反復(fù)得失電子結(jié)構(gòu)變化設(shè)計(jì)“DOM+M+Fe”體系實(shí)驗(yàn),即將DOM、檸檬酸鐵和MR-1菌濁液按DOM:MR-1:FeCit =1:1:1的比例混合反應(yīng)24h,過(guò)0.22 μm的纖維素膜后進(jìn)行熒光掃描.

1.4 光譜分析

樣品熒光光譜掃描參數(shù)如下:激發(fā)波長(zhǎng)Ex=200～450nm,發(fā)射波長(zhǎng)Em=280～550nm,掃描速度設(shè)為2400nm/min.

由于鐵對(duì)紫外可見(jiàn)光譜有強(qiáng)烈吸收,因此只進(jìn)行DOM和“DOM+M”體系的紫外光譜掃描.樣品紫外光譜掃描參數(shù)如下:掃描范圍為 200～700nm,掃描間距為1nm.分別測(cè)定樣品DOM在254和436nm下的吸光度,記為a(254)和a(436),將其除以DOC濃度即為SUVA254和SUVA436.分別測(cè)定DOM在275～295nm和350～400nm范圍內(nèi)的紫外吸收曲線的光譜斜率,記為 S275-295和S350-400,S275-295和 S350-400的比值即為光比斜率SR[20].

1.5 PARAFAC分析

對(duì)三維熒光光譜的數(shù)據(jù)去除散射后,在Matlab 9.0b(Mathwork, Natick, MA)上用 DOM Fluor toolbox軟件包進(jìn)行平行因子分析.通過(guò)一致性分析和對(duì)半檢驗(yàn)確定熒光組分?jǐn)?shù)以及每個(gè)樣品在對(duì)應(yīng)組分的濃度得分值 Fmax.采用Origin9.0和Matlab 8.0b進(jìn)行圖形繪制與處理.

2 結(jié)果與討論

2.1 DOM熒光組分特征

利用PARAFAC模型分析填埋垃圾DOM在不同反應(yīng)體系下三維熒光譜并得到 4個(gè)熒光組分(圖2),各組分對(duì)應(yīng)最大激發(fā)發(fā)射波長(zhǎng)見(jiàn)表1.

組分 1(270/340nm)為類(lèi)色氨酸熒光峰,研究表明微生物的代謝產(chǎn)物同樣能夠在該處出現(xiàn)熒光峰[21].

組分2具有2個(gè)熒光峰,發(fā)射波長(zhǎng)相同,均為390nm,激發(fā)波長(zhǎng)分別為240和320nm.對(duì)比研究可判斷該峰為類(lèi)富里酸熒光峰,與腐殖質(zhì)中類(lèi)富里酸熒光峰有關(guān).次峰240/390nm位于傳統(tǒng)類(lèi)腐殖質(zhì)(237～260/380～460nm)區(qū)域[22],主峰 320/ 390nm位于 M 峰(290～310/380～420nm)區(qū)域,M峰除了代表海洋來(lái)源腐殖質(zhì)組分,還與人類(lèi)活動(dòng)有關(guān)[23-24].

組分3的2個(gè)熒光峰(225,275/300nm)為高低激發(fā)波長(zhǎng)下酪氨酸熒光峰[24-25],和組分 1同屬于類(lèi)蛋白熒光峰.

圖2 DOM的4個(gè)熒光組分Fig.2 Four fluorescence components of DOM

表1 DOM熒光組成特征Table 1 Fluorescence characteristic of the four fluorophoresin DOM

組分4的2個(gè)熒光峰發(fā)射波長(zhǎng)均為450nm,激發(fā)波長(zhǎng)分別為260和355nm,為類(lèi)胡敏酸熒光峰[26].次峰 355/450nm 對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)的類(lèi)胡敏酸(330～350/420～480nm)熒光峰,主峰260/450nm相對(duì)于 260/480nm區(qū)類(lèi)胡敏酸熒光峰發(fā)生激發(fā)波長(zhǎng)藍(lán)移,該峰為填埋垃圾穩(wěn)定化的指標(biāo)[27].

2.2 DOM提供電子后的結(jié)構(gòu)變化

利用PARAFAC在DOM和“DOM+Fe”體系中所得4組熒光組分得分值Fmax進(jìn)行制圖,如圖2所示,樣品熒光差異表現(xiàn)為Fmax值大小.

由于檸檬酸根與鐵的絡(luò)合能力要強(qiáng)于DOM與鐵的絡(luò)合能力[28],故在“DOM+Fe”體系中DOM的熒光猝滅主要是動(dòng)態(tài)熒光猝滅,即Fe(III)與 DOM接觸后,DOM將自身的電子傳遞給Fe(III),失去電子后 DOM 的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,熒光強(qiáng)度降低.

由圖3可知,DOM的類(lèi)蛋白物質(zhì)(組分1和組分3)熒光強(qiáng)度顯著強(qiáng)于類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)(組分2和組分4),但是其在“DOM+Fe”體系中該組分熒光完全被猝滅,故DOM中類(lèi)蛋白物質(zhì)失去電子后結(jié)構(gòu)可能發(fā)生改變,受到激發(fā)后不再產(chǎn)生熒光.與類(lèi)蛋白物質(zhì)不同,類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)與檸檬酸鐵接觸后雖然同樣出現(xiàn)熒光猝滅現(xiàn)象,但是熒光沒(méi)有能夠被完全猝滅.因此與類(lèi)蛋白物質(zhì)相比,類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,失去電子后部分基團(tuán)結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變.

DOM的熒光猝滅幅度與電子供給能力有關(guān),熒光猝滅幅度越大,DOM結(jié)構(gòu)上供電子基團(tuán)含量越高,電子供給能力就越強(qiáng).羧基和酚基等都是影響 DOM熒光變化的主要供電子基團(tuán)且都與其芳香性有關(guān)[15,17,29].有機(jī)物的 SUVA254能夠表征其芳香性[30],圖3中SUVA254的變化說(shuō)明DOM的芳香性在填埋過(guò)程中是增強(qiáng)的,同時(shí)結(jié)合類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)的熒光猝滅幅度變化趨勢(shì)表明在垃圾填埋過(guò)程中 DOM類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的羧基和酚基等供電子基團(tuán)含量不斷增加,電子供給能力不斷增強(qiáng).

圖3 DOM失去電子過(guò)程4組分的熒光強(qiáng)度變化Fig.3 Changes in fluorescence intensityof DOM after oxidation

2.3 DOM接受電子后的結(jié)構(gòu)變化

微生物在降低填埋垃圾風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域具有重要的作用,填埋垃圾中有機(jī)污染物和重金屬等電子受體能夠接受微生物代謝產(chǎn)生的電子從而改變自身賦存形態(tài),降低污染物的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn).表2可知經(jīng)MR-1還原后DOM的SR增大,有機(jī)質(zhì)與分子量成反比[20],表明DOM與 MR-1反應(yīng) 24h后DOM的分子量降低,因此DOM與MR-1反應(yīng)過(guò)程中其能夠作為營(yíng)養(yǎng)源被微生物利用,相較于類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)而言,類(lèi)蛋白物質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于分解,然而經(jīng)微生物還原后類(lèi)蛋白物質(zhì)的熒光沒(méi)有下降反而明顯增強(qiáng),熒光增強(qiáng)幅度明顯.類(lèi)蛋白物質(zhì)得到微生物自身代謝產(chǎn)生電子,其結(jié)構(gòu)上羰基等吸電子基團(tuán)變?yōu)榇蓟鵞15,19],含氮的雜環(huán)結(jié)構(gòu)被破壞[31],肽鏈展開(kāi),疏水性增強(qiáng)[32],熒光增強(qiáng).組分 3的熒光增加幅度在填埋過(guò)程中呈降低的趨勢(shì),這可能源于類(lèi)蛋白物質(zhì)在填埋過(guò)程中結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,其結(jié)構(gòu)上能夠被微生物還原利用的組分減少.

比較圖4中的組分2和組分4的熒光強(qiáng)度可發(fā)現(xiàn),垃圾填埋過(guò)程中 DOM類(lèi)富里酸的熒光增加幅度較為穩(wěn)定,但是 DOM類(lèi)胡敏酸的熒光增加幅度隨填埋的進(jìn)行呈現(xiàn)降低的趨勢(shì).相較于胡敏酸,富里酸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,在填埋過(guò)程中部分富里酸能夠作為胡敏酸合成的前驅(qū)物.填埋 DOM類(lèi)富里酸具有較強(qiáng)的得電子能力,而且熒光增加幅度隨填埋的進(jìn)行保持穩(wěn)定,因此其結(jié)構(gòu)上吸電子基團(tuán)在填埋過(guò)程中未發(fā)生顯著改變.

表2 DOM還原前后光比斜率比值Teble 2 The change of spectral slope ratioafter reduction

類(lèi)胡敏酸熒光增加幅度在填埋過(guò)程中降低,熒光增加幅度受控于結(jié)構(gòu)上吸電子基團(tuán)的含量和類(lèi)型.醌基和羰基是腐殖質(zhì)的主要的吸電子基團(tuán),羰基得電子后變?yōu)榇蓟?分子間的氫鍵增加

[19],熒光增加,但是醌基得到電子后的熒光增加幅度卻未發(fā)生顯著改變[15,33-34],SUVA436與醌基具有很好的相關(guān)性[35],SUVA436在填埋過(guò)程不斷增加表明 DOM的醌基含量不斷升高,因此類(lèi)胡敏酸熒光增加幅度隨填埋的進(jìn)行出現(xiàn)降低表明 DOM在填埋過(guò)程中類(lèi)胡敏酸結(jié)構(gòu)不斷演變,簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的吸電子基團(tuán)如羰基等聚合成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的吸電子基團(tuán)(如醌基),縮合度和分子量不斷改變,這與前人得到填埋垃圾 DOM結(jié)構(gòu)演變規(guī)律是一致的[27,36-37].

圖4 DOM得到電子過(guò)程4組分的熒光強(qiáng)度變化Fig.4 Changes in fluorescence intensity of DOM after reducion

圖5 還原態(tài)DOM失去電子4組分的熒光強(qiáng)度變化Fig.5 Changes in fluorescence intensity of DOM when the reduced DOM were oxidized

為了進(jìn)一步研究在填埋過(guò)程中DOM接受電子再失去電子的結(jié)構(gòu)變化,我們進(jìn)行“DOM+ M-DOM+Fe”體系和“DOM+Fe”體系中4組分熒光強(qiáng)度比較(圖5),發(fā)現(xiàn)“DOM+M-DOM+Fe”體系中4組分熒光強(qiáng)度要強(qiáng)于“DOM+Fe”體系.組分3代表類(lèi)蛋白物質(zhì),兩體系中組分3的熒光強(qiáng)度差別不大,都接近零,進(jìn)一步證實(shí)了類(lèi)蛋白物質(zhì)失去電子后結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,不能產(chǎn)生熒光.由于本次實(shí)驗(yàn)采用填埋初期 DOM,其結(jié)構(gòu)和組成不穩(wěn)定,被MR-1降解后生成的小分子物質(zhì)具有較強(qiáng)的熒光,因此“DOM+M- DOM+Fe”體系中組分1熒光強(qiáng)度要強(qiáng)于“DOM+Fe”體系.“DOM+M-DOM+Fe”體系中類(lèi)腐殖質(zhì)的熒光強(qiáng)度同樣強(qiáng)于“DOM+Fe”體系,這可能源于DOM結(jié)構(gòu)上部分吸電子基團(tuán)諸如芳香酮,得到電子后變成醇類(lèi)等基團(tuán)后不再將電子傳遞出去[15,17],因此兩體系下類(lèi)腐殖質(zhì)(組分 2和組分4)熒光強(qiáng)度相差很大.

2.4 DOM在持續(xù)電子穿梭過(guò)程中結(jié)構(gòu)變化

上述研究表明 DOM在電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,然而在真實(shí)的填埋環(huán)境中微生物、填埋DOM和電子受體(重金屬和難降解有機(jī)物等)是共存的,因此為了模擬真實(shí)環(huán)境,研究微生物MR-1、DOM和電子受體FeCit共存情況下DOM的結(jié)構(gòu)變化,結(jié)果如圖6所示.

圖6 DOM反復(fù)得失電子4組分熒光強(qiáng)度變化Fig.6 Changes in fluorescence intensity of DOM when DOM were used as electron shuttle

圖6為“DOM+M+Fe”和“DOM+Fe”兩體系中 4個(gè)組分的熒光強(qiáng)度,4個(gè)組分的熒光強(qiáng)度在不同體系下差距明顯.組分1的類(lèi)蛋白物質(zhì)與微生物生命活動(dòng)有關(guān),“DOM+M+Fe”體系下存在微生物MR-1的生命活動(dòng),因此組分1在“DOM+ M+Fe”體系中的熒光強(qiáng)度顯著強(qiáng)于其在“DOM+ Fe”體系中的熒光強(qiáng)度.組分 3在“DOM+M+Fe”體系和“DOM+Fe”體系均不產(chǎn)生熒光表明失去電子后的類(lèi)蛋白物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變不能重新接受微生物代謝產(chǎn)生的電子而回到初始狀態(tài),因此DOM 的類(lèi)蛋白物質(zhì)不能反復(fù)被氧化和還原.在“DOM+M+Fe”體系中類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)(組分2和組分 4)熒光強(qiáng)度顯著強(qiáng)于“DOM+Fe”體系中類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)熒光強(qiáng)度,表明類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)部分基團(tuán)在“DOM+M+Fe”體系中能夠攜帶電子,具有電子傳遞媒介作用,因此在“DOM+M+Fe”體系中類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)部分基團(tuán)在反復(fù)得失電子后結(jié)構(gòu)未發(fā)生顯著改變,能夠連續(xù)接受微生物代謝產(chǎn)生的電子并將其傳遞出去,具有很強(qiáng)的電子穿梭功能.所以在填埋垃圾降解的復(fù)雜環(huán)境中,DOM類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)的電子穿梭能力能夠強(qiáng)化微生物對(duì)于污染物(難降解有機(jī)物和重金屬等)的轉(zhuǎn)化和降解,改變其賦存形態(tài)和生物可利用性,同時(shí)了解DOM的電子穿梭能力功能性組分能夠?yàn)檎J(rèn)識(shí)填埋垃圾場(chǎng)污染物遷移和轉(zhuǎn)化提供科學(xué)依據(jù).

3 結(jié)論

3.1 利用 EEM-PARAFAC模型識(shí)別出填埋初期DOM由2類(lèi)物質(zhì)4個(gè)熒光組分構(gòu)成,即類(lèi)蛋白物質(zhì)(組分1和組分3)和類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)(組分2和組分4),其中類(lèi)蛋白物質(zhì)對(duì)DOM的熒光貢獻(xiàn)明顯.

3.2 DOM 得到電子的過(guò)程中,類(lèi)蛋白物質(zhì)和類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生熒光增強(qiáng)效應(yīng).類(lèi)蛋白物質(zhì)得到電子后含氮的雜環(huán)結(jié)構(gòu)被破壞,肽鏈展開(kāi),疏水性增強(qiáng).類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的羰基得到電子后變?yōu)榇蓟?氫鍵增加.

3.3 DOM 失去電子過(guò)程中,類(lèi)蛋白物質(zhì)和類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生熒光猝滅效應(yīng).類(lèi)蛋白物質(zhì)失去電子后結(jié)構(gòu)改變,熒光完全被猝滅.填埋過(guò)程中類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)熒光猝滅幅度受控于其結(jié)構(gòu)上羧基和酚基等供電子基團(tuán)的含量.

3.4 類(lèi)蛋白物質(zhì)失去電子后不能重新得到電子返回原態(tài),而類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)中部分基團(tuán)能反復(fù)得失電子,DOM的電子穿梭能力源于類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)且隨填埋的進(jìn)行不斷增強(qiáng).

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Effect of electron transfer on the structure of dissolved organic matter during initial landfill stage.

YANG Chao1,2,3, HE Xiao-song1,2*, XI Bei-dou1,2,3, ZHANG Hui1,2, HUANG Cai-hong1,2, GAO Ru-tai1,2, TAN Wen-bing1,2, CUI Dong-yu1,2
(1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.State Environmental Protection Key Laboratory of Simulation and Control of Groundwater Pollution, Chinese Research Academy of Environmental Science, Beijing 100012, China；3.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China). China Environmental Science, 2017,37(1)：229～237

In order to investigate the structural change of dissolved organic matter after electron transfer, dissolved organic matter (DOM) were extracted fromlandfilled wastes at different depthsduring initial landfill stage, and shewanella Shewanella MR-1 and citrate iron (FeCit) were used as electron donor and electronacceptor, respectively. Furtherover, fluorescence excitation-emission matrix (EEM) spectra combined with parallel factor (PARAFAC) analysis was used to analyze the structure change of DOM. The results indicated that four fluorescent components, i.e., two humic-like components (C2 and C4) and two protein-like components (C1 and C3), were identified by the PARAFAC analysis, and protein-like components was the major component. The nitrogen-containing heterocyclic structure was desassembled when protein-like components got electrons, and theirhydrophobicity and fluorescence intensities were increased during the process. Fluorescence intensities of humic-like components were increased as well when they obtained electrons, though their increased range became decrease during the landfill processs. The carbonyl group on humic-like components were turn into alcohol group when it obatained electrons. Fluorescence quenching phenomenon was observeredwhen DOM loss electrons. Protein-like components wereable to offerelectrons, and theirstructure changed after they loss electrons. Humic-like substances can offer electrons as well, and their fluorescence intensities decreased as well when they loss electrons. However, the decreased range was related to the content of carboxyl and phenolic groups on humic-like subtaneces. Humic-like components could bereoxided, However, protein-like components could not be reduced after they was oxided. The electron shuttle capacityof DOM were ascribed to humic-like components, which were persistentlyincreasedduring the landfill process.

dissolved organic matter；three-dimensional fluorescence spectrum；parallel factor analysis；electron transfer

X705

A

1000-6923(2017)01-0229-09

楊 超(1992-),男,河南信陽(yáng)人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)楣腆w廢棄物處理.發(fā)表論文2篇.

2016-06-28

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(51408573,51325804)

* 責(zé)任作者, 副研究員, hexs82@126.com